Próba rozciągania służy głównie do określania zdolności materiałów metalowych do opierania się uszkodzeniom powstającym podczas rozciągania i jest jednym z ważniejszych wskaźników oceny właściwości mechanicznych materiałów.
1. Badanie wytrzymałości na rozciąganie
Próba rozciągania opiera się na podstawowych zasadach mechaniki materiałów. Poprzez zastosowanie obciążenia rozciągającego do próbki materiału w określonych warunkach, powoduje się odkształcenie rozciągające, aż do pęknięcia próbki. Podczas testu rejestruje się odkształcenie próbki eksperymentalnej pod różnymi obciążeniami i maksymalne obciążenie, gdy próbka pęka, aby obliczyć granicę plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i inne wskaźniki wydajności materiału.
Naprężenie σ = F/A
σ to wytrzymałość na rozciąganie (MPa)
F to obciążenie rozciągające (N)
A to pole przekroju poprzecznego próbki
2. Krzywa rozciągania
Analiza kilku etapów procesu rozciągania:
a. W fazie OP przy małym obciążeniu wydłużenie jest liniowo zależne od obciążenia, a Fp jest maksymalnym obciążeniem pozwalającym na utrzymanie linii prostej.
b. Po przekroczeniu przez obciążenie Fp krzywa rozciągania zaczyna przyjmować nieliniową zależność. Próbka wchodzi w fazę początkowej deformacji, a obciążenie zostaje usunięte, a próbka może powrócić do stanu pierwotnego i odkształcić się elastycznie.
c. Po przekroczeniu Fe obciążenie jest usuwane, część odkształcenia jest przywracana, a część odkształcenia resztkowego jest zachowywana, co nazywa się odkształceniem plastycznym. Fe nazywane jest granicą sprężystości.
d. Gdy obciążenie wzrasta dalej, krzywa rozciągania wykazuje kształt piły. Gdy obciążenie nie wzrasta ani nie maleje, zjawisko ciągłego wydłużania próbki doświadczalnej nazywa się ustępowaniem. Po ustępowaniu próbka zaczyna ulegać wyraźnemu odkształceniu plastycznemu.
e. Po ustąpieniu, próbka wykazuje wzrost odporności na odkształcenia, umocnienie odkształceniowe i wzmocnienie odkształceniowe. Gdy obciążenie osiągnie Fb, ta sama część próbki kurczy się gwałtownie. Fb jest granicą wytrzymałości.
f. Zjawisko kurczenia się prowadzi do zmniejszenia nośności próbki. Gdy obciążenie osiągnie Fk, próbka pęka. To zjawisko nazywa się obciążeniem pękającym.
Wytrzymałość na rozciąganie
Granica plastyczności to maksymalna wartość naprężenia, jaką materiał metalowy może wytrzymać od początku odkształcenia plastycznego do całkowitego pęknięcia, gdy jest poddawany działaniu siły zewnętrznej. Wartość ta oznacza punkt krytyczny, w którym materiał przechodzi ze stadium odkształcenia sprężystego do stadium odkształcenia plastycznego.
Klasyfikacja
Górna granica plastyczności: odnosi się do maksymalnego naprężenia próbki przed pierwszym spadkiem siły, gdy następuje odkształcenie.
Niższa granica plastyczności: odnosi się do minimalnego naprężenia w fazie plastyczności, gdy początkowy efekt przejściowy jest ignorowany. Ponieważ wartość dolnej granicy plastyczności jest stosunkowo stabilna, jest ona zwykle używana jako wskaźnik odporności materiału, nazywany granicą plastyczności lub granicą plastyczności.
Wzór obliczeniowy
Dla górnej granicy plastyczności: R = F / Sₒ, gdzie F jest maksymalną siłą przed pierwszym spadkiem siły na etapie plastyczności, a Sₒ jest pierwotnym polem przekroju poprzecznego próbki.
Dla niższej granicy plastyczności: R = F / Sₒ, gdzie F to minimalna siła F ignorująca początkowy efekt przejściowy, a Sₒ to pierwotne pole przekroju poprzecznego próbki.
Jednostka
Jednostką granicy plastyczności jest zwykle MPa (megapaskal) lub N/mm² (niuton na milimetr kwadratowy).
Przykład
Weźmy na przykład stal niskowęglową, jej granica plastyczności wynosi zwykle 207 MPa. Poddana działaniu siły zewnętrznej większej niż ta granica, stal niskowęglowa ulegnie trwałemu odkształceniu i nie będzie mogła zostać przywrócona; poddana działaniu siły zewnętrznej mniejszej niż ta granica, stal niskowęglowa może powrócić do swojego pierwotnego stanu.
Wytrzymałość plastyczna jest jednym z ważnych wskaźników oceny właściwości mechanicznych materiałów metalowych. Odzwierciedla ona zdolność materiałów do przeciwstawiania się odkształceniom plastycznym pod wpływem sił zewnętrznych.
Wytrzymałość na rozciąganie
Wytrzymałość na rozciąganie to zdolność materiału do przeciwstawiania się uszkodzeniom pod wpływem obciążenia rozciągającego, która jest konkretnie wyrażana jako maksymalna wartość naprężenia, jakie materiał może wytrzymać podczas procesu rozciągania. Gdy naprężenie rozciągające materiału przekroczy jego wytrzymałość na rozciąganie, materiał ulegnie odkształceniu plastycznemu lub pęknięciu.
Wzór obliczeniowy
Wzór obliczeniowy na wytrzymałość na rozciąganie (σt) jest następujący:
σt = F / A
Gdzie F to maksymalna siła rozciągająca (niutony, N), jaką próbka może wytrzymać przed pęknięciem, a A to pierwotne pole przekroju poprzecznego próbki (milimetr kwadratowy, mm²).
Jednostka
Jednostką wytrzymałości na rozciąganie jest zwykle MPa (megapaskal) lub N/mm² (niuton na milimetr kwadratowy). 1 MPa odpowiada 1 000 000 niutonów na metr kwadratowy, co również odpowiada 1 N/mm².
Czynniki wpływające
Na wytrzymałość na rozciąganie wpływa wiele czynników, m.in. skład chemiczny, mikrostruktura, proces obróbki cieplnej, metoda przetwarzania itp. Różne materiały mają różną wytrzymałość na rozciąganie, dlatego w zastosowaniach praktycznych konieczny jest dobór odpowiednich materiałów w oparciu o ich właściwości mechaniczne.
Praktyczne zastosowanie
Wytrzymałość na rozciąganie jest bardzo ważnym parametrem w dziedzinie nauki o materiałach i inżynierii materiałowej i jest często stosowana do oceny właściwości mechanicznych materiałów. Pod względem projektowania konstrukcyjnego, doboru materiałów, oceny bezpieczeństwa itp. wytrzymałość na rozciąganie jest czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę. Na przykład w inżynierii budowlanej wytrzymałość na rozciąganie stali jest ważnym czynnikiem decydującym o tym, czy wytrzyma ona obciążenia; w dziedzinie lotnictwa i kosmonautyki wytrzymałość na rozciąganie lekkich i wysoce wytrzymałych materiałów jest kluczem do zapewnienia bezpieczeństwa samolotów.
Wytrzymałość zmęczeniowa:
Zmęczenie metalu odnosi się do procesu, w którym materiały i komponenty pod wpływem cyklicznych naprężeń lub odkształceń stopniowo powodują lokalne, trwałe i kumulatywne uszkodzenia w jednym lub kilku miejscach, a po określonej liczbie cykli pojawiają się pęknięcia lub nagłe całkowite pęknięcia.
Cechy
Nagłość w czasie: Zmęczenie materiału często pojawia się nagle, w krótkim czasie, bez widocznych objawów.
Lokalizacja w położeniu: Zniszczenie zmęczeniowe występuje zwykle w obszarach, w których koncentruje się naprężenie.
Wrażliwość na środowisko i wady: Zmęczenie metalu jest bardzo wrażliwe na środowisko i drobne wady wewnątrz materiału, które mogą przyspieszyć proces zmęczenia.
Czynniki wpływające
Amplituda naprężeń: Wielkość naprężeń ma bezpośredni wpływ na trwałość zmęczeniową metalu.
Średnia wielkość naprężenia: Im większe średnie naprężenie, tym krótsza trwałość zmęczeniowa metalu.
Liczba cykli: Im częściej metal jest poddawany cyklicznym naprężeniom lub odkształceniom, tym poważniejsze są uszkodzenia zmęczeniowe.
Środki zapobiegawcze
Optymalizacja doboru materiałów: Wybieraj materiały o wyższych granicach zmęczenia.
Zmniejszanie koncentracji naprężeń: Koncentrację naprężeń można zmniejszyć poprzez zastosowanie odpowiednich metod projektowania konstrukcji lub przetwarzania, np. poprzez stosowanie przejść o zaokrąglonych narożnikach, zwiększanie wymiarów przekroju poprzecznego itp.
Obróbka powierzchniowa: polerowanie, natryskiwanie itp. na powierzchnię metalu w celu zmniejszenia wad powierzchni i poprawy wytrzymałości zmęczeniowej.
Kontrola i konserwacja: Regularnie sprawdzaj elementy metalowe, aby szybko wykryć i naprawić uszkodzenia, np. pęknięcia; konserwuj części podatne na zmęczenie, np. wymieniając zużyte części i wzmacniając słabe ogniwa.
Zmęczenie metalu to powszechny tryb uszkodzenia metalu, który charakteryzuje się nagłością, lokalnością i wrażliwością na środowisko. Amplituda naprężeń, średnia wielkość naprężeń i liczba cykli to główne czynniki wpływające na zmęczenie metalu.
Krzywa SN: opisuje trwałość zmęczeniową materiałów pod różnymi poziomami naprężeń, gdzie S oznacza naprężenie, a N liczbę cykli naprężeń.
Wzór na współczynnik wytrzymałości zmęczeniowej:
(Kf = Ka \cdot Kb \cdot Kc \cdot Kd \cdot Ke)
Gdzie (Ka) jest współczynnikiem obciążenia, (Kb) jest współczynnikiem rozmiaru, (Kc) jest współczynnikiem temperatury, (Kd) jest współczynnikiem jakości powierzchni, a (Ke) jest współczynnikiem niezawodności.
Wyrażenie matematyczne krzywej SN:
(\sigma^m N = C)
Gdzie (\sigma) to naprężenie, N to liczba cykli naprężeń, a m i C to stałe materiałowe.
Kroki obliczeniowe
Określ stałe materiałowe:
Określ wartości m i C eksperymentalnie lub korzystając z odpowiedniej literatury.
Określ współczynnik koncentracji naprężeń: Weź pod uwagę rzeczywisty kształt i rozmiar części, a także koncentrację naprężeń spowodowaną przez wyokrąglenia, rowki klinowe itp., aby określić współczynnik koncentracji naprężeń K. Oblicz wytrzymałość zmęczeniową: Oblicz wytrzymałość zmęczeniową na podstawie krzywej SN i współczynnika koncentracji naprężeń, w połączeniu z projektowaną trwałością i poziomem naprężeń roboczych części.
2. Plastyczność:
Plastyczność odnosi się do właściwości materiału, który po poddaniu działaniu siły zewnętrznej powoduje trwałe odkształcenie bez pękania, gdy siła zewnętrzna przekroczy granicę sprężystości. Odkształcenie to jest nieodwracalne, a materiał nie powróci do pierwotnego kształtu, nawet jeśli siła zewnętrzna zostanie usunięta.
Wskaźnik plastyczności i wzór jego obliczania
Wydłużenie (δ)
Definicja: Wydłużenie to procent całkowitego odkształcenia przekroju pomiarowego po tym, jak próbka zostanie rozerwana do pierwotnej długości pomiarowej.
Wzór: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%
Gdzie L0 jest oryginalną długością pomiarową próbki;
L1 to długość pomiarowa po złamaniu próbki.
Redukcja segmentowa (Ψ)
Definicja: Zmniejszenie segmentowe to procent maksymalnego zmniejszenia pola przekroju poprzecznego w punkcie przewężenia po tym, jak próbka zostanie rozbita do pierwotnego pola przekroju poprzecznego.
Wzór: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%
Gdzie F0 jest pierwotnym polem przekroju poprzecznego próbki;
F1 to pole przekroju poprzecznego w punkcie przewężenia po złamaniu próbki.
3. Twardość
Twardość metalu to wskaźnik właściwości mechanicznych służący do pomiaru twardości materiałów metalowych. Wskazuje on zdolność do przeciwstawiania się odkształceniom w objętości lokalnej na powierzchni metalu.
Klasyfikacja i przedstawienie twardości metali
Twardość metalu ma różne metody klasyfikacji i reprezentacji według różnych metod testowych. Obejmują one głównie następujące:
Twardość Brinella (HB):
Zakres zastosowania: Stosowane głównie w przypadku materiałów o większej miękkości, np. metali nieżelaznych, stali przed obróbką cieplną lub po wyżarzaniu.
Zasada badania: Przy określonym rozmiarze obciążenia testowego, hartowana kulka stalowa lub kulka węglikowa o określonej średnicy jest wciskana w powierzchnię badanego metalu, a obciążenie jest zwalniane po określonym czasie i mierzona jest średnica wgłębienia na badanej powierzchni.
Wzór obliczeniowy: Wartość twardości Brinella to iloraz obciążenia i powierzchni kulistej odcisku.
Twardość Rockwella (HR):
Zakres zastosowania: Stosowany głównie do materiałów o większej twardości, np. po obróbce cieplnej.
Zasada pomiaru: Podobna do twardości Brinella, lecz wykorzystuje inne sondy (diamentowe) i inne metody obliczeniowe.
Rodzaje: W zależności od zastosowania rozróżnia się HRC (do materiałów o wysokiej twardości), HRA, HRB i inne rodzaje.
Twardość Vickersa (HV):
Zakres zastosowania: Nadaje się do analizy mikroskopowej.
Zasada badania: Naciśnij powierzchnię materiału obciążeniem mniejszym niż 120 kg i użyj diamentowego stożkowego wgłębnika o kącie wierzchołkowym 136°, a następnie podziel powierzchnię wgłębienia materiału przez wartość obciążenia, aby uzyskać wartość twardości Vickersa.
Twardość Leeba (HL):
Cechy: Przenośny twardościomierz, łatwy do pomiaru.
Zasada pomiaru: należy wykorzystać odbicie wygenerowane przez głowicę kulową po uderzeniu w twardą powierzchnię i obliczyć twardość jako stosunek prędkości odbicia stempla w odległości 1 mm od powierzchni próbki do prędkości uderzenia.
Czas publikacji: 25-09-2024
